砂鼠的基因組測序與糖尿病易感基因的分析

背景

1 由於食物和水的供應不足，乾旱環境對動物產生極大的生理需求

2 砂鼠Psammomys obesus是沙鼠亞科，大多數生活在沙漠和乾旱環境中的生物。特定的生態環境影響下，在高碳水化合物飲食的情況下，大多數個體會發展為經典的II型糖尿病，在極端情況下，會導致胰腺功能衰竭和死亡。

3 Pdx1同源基因，也稱為Ipf1，Idx1，Stf1或Xlox，ParaHox的中心和最高度保守的成員基因簇。 Pdx1是四足動物中Pdx基因家族的唯一成員，並且編碼了同源結構域在其進化過程中不變，是胰島素和其他胰腺激素的轉錄激活因子。

4 GC偏向的基因轉化（gBGC）是由於重組過程中的基因轉化而導致DNAGC含量增加，發現重組率與GC含量呈正相關。

方法

1 組裝材料：1隻雄性的砂鼠

2 250bp，500bp，800bp的小片段文庫+MP文庫和GC富集（氯化銫梯度離心分離富含GC的序列）的文庫，共393Gb

3 組裝軟體：soapdenovo2

4 轉錄組測序：胰島，肝臟和十二指腸的轉錄組數據

結果

1 基因組組裝：完成了85.5X的基因組測序，共393Gb。組裝完成了砂鼠的基因組，基因組總長2.3G，scaffold N50 10M，contig N50 83k

2 利用除了高GC外的測序數據進行拼接，將拼接結果與大鼠基因組進行比較，發現在5號染色體缺失了一個包括Pdx1和88個其他基因的大gap區域。利用RNA-seq測序發現在該區域內的基因的GC含量較高，因此利用氧化銫梯度離心的方法富集了高GC的基因組片段後進行組裝。

2 分析表明，GC的偏好性是組裝差異的原因，砂鼠在5號染色體這個區域中GC含量上升。與其他嚙齒類動物相比，在這個區域中，砂鼠的基因組中AT到GC的變異更加普遍，表明可能存在一個較為明顯的突變壓力。

4 在基因組中獲得了Pdx1的基因序列，發現在胰島和十二指腸中存在表達。Pdx1的60個氨基酸同源結構域在其他哺乳動物幾乎100%的保守性，而在砂鼠中，同源結構域中存在15個氨基酸的差異；所有的氨基酸變化都是由AT到GC的突變引起的。通過對長爪沙鼠的RNA分析發現，Pdx1的GC偏向性不是砂鼠的獨特之處。砂鼠和長爪沙鼠的dN/dS為2.6，可能表明強選擇，也可能表明GC偏向基因轉化的影響。除了Pdx1之外，大部分砂鼠基因與小鼠或人類高度一致。

5 沙鼠的Pdx1同源結構域具有DNA結合所需的三個螺旋的能力，通過分子動力學模擬證明，沙鼠的蛋白質相互作用結合焓低於小鼠Pdx1，即結合DNA的能力更強。一個氨基酸的變異導致了許多的差異，同時還有些特定鹼基相互作用的修飾作用。

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